JP2009032966A - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
【課題】非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、良好な偏光状態の光を取り出すことができる発光ダイオード、および、レーザ発振効率を高め、閾値電流を低減することができる半導体レーザダイオード。
【解決手段】c面以外の非極性面または半極性面の面方位を結晶成長の主面とする化合物半導体(100〜108)からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、積層構造の一つに積層欠陥Iを発生させるp型半導体層108を設けることによって、p型半導体層108の下部に比べて、p型半導体層108より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする半導体発光素子。
【選択図】図1A GaN semiconductor layer having a nonpolar plane or a semipolar plane as a principal plane is used, and a stacking fault is intentionally provided in a p-type layer, thereby forming a high hole concentration and extracting light in a favorable polarization state. And a semiconductor laser diode capable of increasing the laser oscillation efficiency and reducing the threshold current.
A semiconductor light emitting device having a stacked structure made of a compound semiconductor (100 to 108) having a crystal growth as a principal plane of crystal growth with a nonpolar plane or semipolar plane other than the c plane. By providing the p-type semiconductor layer 108 that generates the stacking fault I, the crystal growth layer stacked after the p-type semiconductor layer 108 has more crystal defects than the lower portion of the p-type semiconductor layer 108. A semiconductor light emitting device characterized by the above.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、III族窒化物半導体からなる半導体積層構造を備えた発光ダイオードおよび半導体レーザダイオードに関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a light emitting diode and a semiconductor laser diode having a semiconductor multilayer structure made of a group III nitride semiconductor.
III族窒化物半導体とは、III−V族半導体においてV族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム((InN)が代表例である。一般には、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)と表わすことができ、これを、「窒化インジウム半導体」または「GaN半導体」ということにする。 The group III nitride semiconductor is a semiconductor using nitrogen as a group V element in a group III-V semiconductor. Typical examples include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride ((InN). Generally, Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1,0) ≦ x + y ≦ 1), which is referred to as “indium nitride semiconductor” or “GaN semiconductor”.
c面を主面とする窒化ガリウム(GaN)基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法(MOCVD:Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、n型層およびp型層を有するGaN半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、例えば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。 A nitride semiconductor manufacturing method is known in which a group III nitride semiconductor is grown on a gallium nitride (GaN) substrate having a c-plane as a main surface by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). ing. By applying this method, a GaN semiconductor multilayer structure having an n-type layer and a p-type layer can be formed, and a light-emitting device using this multilayer structure can be manufactured. Such a light emitting device can be used as a light source of a backlight for a liquid crystal panel, for example.
c面を主面とするGaN基板上に再成長されたGaN半導体の主面はc面である。このc面から取り出される光は、ランダム偏光(無偏光)状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い(効率は最大でも50%)という問題がある。 The main surface of the GaN semiconductor regrowth on the GaN substrate having the c-plane as the main surface is the c-plane. The light extracted from the c-plane is in a randomly polarized (non-polarized) state. Therefore, when incident on the liquid crystal panel, other than the specific polarized light corresponding to the incident side polarizing plate is shielded and does not contribute to the luminance toward the emission side. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize a display with high luminance (efficiency is 50% at the maximum).
この問題を解決するために、c面以外、すなわち、a面、m面等の非極性(ノンポーラ)面、または半極性(セミポーラ)面を主面とするGaN半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層によってp型層およびn型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、かつ、高輝度な表示を実現できる。 In order to solve this problem, a GaN semiconductor having a main surface other than the c-plane, that is, a non-polar (non-polar) surface such as a-plane or m-plane, or a semi-polar (semi-polar) surface is grown. Fabrication is under consideration. When a light-emitting device having a p-type layer and an n-type layer is manufactured using a GaN semiconductor layer having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface, light having a strong polarization state can be emitted. Therefore, the loss in the incident side polarizing plate can be reduced by matching the polarization direction of such a light emitting device with the direction of the passing polarized light of the incident side polarizing plate of the liquid crystal panel. As a result, a display with high luminance can be realized.
一方、青色や緑色といった短波長のレーザ光源は、DVDに代表される光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器などの分野で活用されるようになってきている。このような短波長レーザ光源は、例えば、GaN半導体を用いたレーザダイオードで構成されている。 On the other hand, short-wavelength laser light sources such as blue and green have come to be used in fields such as high-density recording on optical disks typified by DVD, image processing, medical equipment, and measuring equipment. Such a short wavelength laser light source is composed of, for example, a laser diode using a GaN semiconductor.
GaN半導体レーザダイオードは、c面を主面とする窒化ガリウム(GaN)基板上に、III族窒化物半導体をMOCVD法によって成長させて製造される。より具体的には、GaN基板上に、MOCVD法によって、n型GaNコンタクト層、n型AlGaNクラッド層、n型GaNガイド層、活性層(発光層)、p型GaNガイド層、p型AlGaNクラッド層、p型GaNコンタクト層が順に成長させられ、これらの半導体層からなる半導体積層構造が形成される。活性層では、n型層から注入される電子とp型層から注入される正孔との再結合による発光が生じる。その光は、n型AlGaNクラッド層およびp型AlGaNクラッド層の間に閉じ込められ、半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。その伝搬方向の両端に共振器端面が形成されており、この一対の共振器端面間で、誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
一方、発光ダイオードでは、半導体層の光取り出し側表面や光取り出し側の電極の表面を粗面(砂ずり面)として、光を散乱させる技術が従来から用いられている。 On the other hand, in the light emitting diode, a technique for scattering light by using the light extraction side surface of the semiconductor layer and the surface of the electrode on the light extraction side as a rough surface (sludge surface) has been conventionally used.
しかし、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用いて偏光を発生させても、GaN半導体層の光取り出し側表面や光取り出し側の電極表面が粗面であると、この粗面の凹凸によって偏光が乱されてしまう。そのため、液晶パネルに適用した場合には、入射側偏光板での損失が大きくなり、エネルギー効率および表示輝度の向上が妨げられる。 However, even if polarized light is generated using a GaN semiconductor layer having a nonpolar or semipolar surface as a main surface, if the light extraction side surface of the GaN semiconductor layer or the electrode surface on the light extraction side is rough, Polarization is disturbed by the rough surface. Therefore, when applied to a liquid crystal panel, the loss at the incident-side polarizing plate is increased, and improvement in energy efficiency and display luminance is hindered.
むろん、同様の問題は、GaN半導体を用いた発光素子だけでなく、他のIII族窒化物半導体を用いた発光素子にも共通している。 Of course, the same problem is common not only to light emitting elements using GaN semiconductors but also to light emitting elements using other group III nitride semiconductors.
従来の非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用いて形成された発光ダイオードにおいては、p型層のホール濃度が低く、抵抗が高いため、発熱が起きてしまい発光効率が低下してしまうという問題点がある。 In a conventional light emitting diode formed using a GaN semiconductor layer having a nonpolar surface or semipolar surface as a main surface, the p-type layer has a low hole concentration and a high resistance. There is a problem that it decreases.
そこで、本発明の目的は、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、低抵抗かつ高発光効率なIII族窒化物半導体を用いた半導体発光素子(発光ダイオード)を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to use a GaN semiconductor layer having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface and intentionally provide a stacking fault in the p-type layer, thereby forming a high hole concentration, low resistance, A semiconductor light emitting device (light emitting diode) using a group III nitride semiconductor with high luminous efficiency is provided.
半導体レーザダイオードの重要な特性の一つは、レーザ発振を生じさせるための閾値電流(発振閾値)である。この閾値電流が低いほど、エネルギー効率の良いレーザ発振が可能になる。 One important characteristic of a semiconductor laser diode is a threshold current (oscillation threshold) for causing laser oscillation. The lower this threshold current, the more energy efficient laser oscillation is possible.
ところが、c面を主面として成長された発光層から生じる光はランダム偏光であるため、TEモードの発振に寄与する光の割合が少ない。そのため、レーザ発振の効率が必ずしもよくなく、閾値電流を低減するうえで、改善の余地がある。 However, since the light generated from the light emitting layer grown with the c-plane as the main surface is randomly polarized, the proportion of light contributing to TE mode oscillation is small. Therefore, the laser oscillation efficiency is not always good, and there is room for improvement in reducing the threshold current.
また、従来の非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用いて形成された半導体レーザダイオードにおいては、p型層のホール濃度が低く、抵抗が高いという問題点がある。 In addition, a conventional semiconductor laser diode formed using a GaN semiconductor layer having a nonpolar or semipolar surface as a main surface has a problem that the hole concentration of the p-type layer is low and the resistance is high.
そこで、この発明の目的は、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、低抵抗にすることで発光効率を高くして、閾値電流を低減することが可能な半導体発光素子(半導体レーザダイオード)を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to use a GaN semiconductor layer having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface and intentionally provide a stacking fault in the p-type layer, thereby forming a high hole concentration and reducing the resistance. Thus, it is to provide a semiconductor light emitting device (semiconductor laser diode) capable of increasing the light emission efficiency and reducing the threshold current.
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、非極性面または半極性面を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、積層構造の一つに結晶欠陥を発生させる結晶欠陥層を設けることによって、前記結晶欠陥層の下部に比べて、前記結晶欠陥層の上部の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする半導体発光素子が提供される。 According to one embodiment of the present invention for achieving the above object, there is provided a semiconductor light emitting device having a stacked structure made of a compound semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface for crystal growth, By providing a crystal defect layer that generates crystal defects in one, a semiconductor light emitting device is provided in which the upper portion of the crystal defect layer has more crystal defects than the lower portion of the crystal defect layer. .
本発明の半導体発光素子(発光ダイオード)によれば、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、低抵抗かつ高効率なIII族窒化物半導体を用いた半導体発光素子(発光ダイオード)を提供することができる。 According to the semiconductor light emitting device (light emitting diode) of the present invention, the hole concentration is increased by using a GaN semiconductor layer having a nonpolar or semipolar surface as a main surface and intentionally providing a stacking fault in the p-type layer. It is possible to provide a semiconductor light emitting device (light emitting diode) using a group III nitride semiconductor that is formed and has low resistance and high efficiency.
本発明の半導体発光素子(半導体レーザダイオード)によれば、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、低抵抗にすることで発光効率を高くして、閾値電流を低減することができる。 According to the semiconductor light emitting device (semiconductor laser diode) of the present invention, by using a GaN semiconductor layer having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface and intentionally providing a stacking fault in the p-type layer, the hole concentration is reduced. By forming it high and making it low resistance, the light emission efficiency can be increased and the threshold current can be reduced.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention. The technical idea of the present invention is the arrangement of each component as described below. It is not something specific. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造を示す。
[First embodiment]
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure of a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、非極性面または半極性面の面方位を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子である。
積層構造の一つに結晶欠陥を含む結晶欠陥層を設けることによって、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする。
The semiconductor light-emitting device according to the first embodiment of the present invention is a semiconductor light-emitting device having a stacked structure made of a compound semiconductor having a plane orientation of a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface for crystal growth.
By providing a crystal defect layer including crystal defects in one of the stacked structures, the crystal growth layer stacked after the crystal defect layer has more crystal defects than the lower part of the crystal defect layer. .
また、上記結晶欠陥は積層欠陥Iであることを特徴とする。 The crystal defect is a stacking fault I.
また、上記化合物半導体は、結晶が六方晶からなる半導体であることを特徴とする。 The compound semiconductor is a semiconductor whose crystal is a hexagonal crystal.
また、上記化合物半導体は、結晶がIII族窒化物半導体またはZnを含む酸化物半導体であっても良い。 The compound semiconductor may be a group III nitride semiconductor or an oxide semiconductor containing Zn.
また、積層構造の主面がm面やa面からなる非極性面であることを特徴とする。 Further, the main surface of the laminated structure is a nonpolar surface composed of an m-plane or a-plane.
また、結晶欠陥層の成長温度は、結晶欠陥層の前後の結晶成長層を成長する成長温度に比べて温度が異なることを特徴とする。このことによって、積層欠陥Iを結晶欠陥層に有効で導入することができる。 Further, the growth temperature of the crystal defect layer is different from the growth temperature for growing the crystal growth layers before and after the crystal defect layer. As a result, the stacking fault I can be effectively introduced into the crystal defect layer.
また、結晶欠陥層は、結晶欠陥層の前後の結晶成長層に比べて組成が異なることを特徴とする。このことによっても、積層欠陥Iを結晶欠陥層に有効で導入することができる。 The crystal defect layer is characterized in that the composition is different from the crystal growth layers before and after the crystal defect layer. Also by this, the stacking fault I can be effectively introduced into the crystal defect layer.
また、結晶欠陥層の上部に、p型半導体層を有することを特徴とする。 In addition, a p-type semiconductor layer is provided above the crystal defect layer.
また、結晶欠陥層は、光を発生する活性層、またはその上部に存在し、さらに結晶欠陥層の上部にp型半導体層を有することを特徴とする。 In addition, the crystal defect layer is present in or on an active layer that generates light, and further has a p-type semiconductor layer on the crystal defect layer.
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子は、図1に示すように、n型半導体層100と、n型半導体層100の上に配置された活性層102と、活性層102の上に配置されたp型半導体層104と、p型半導体層104の上に配置されたAlGaNバリア層106と、AlGaNバリア層106の上に配置され、積層欠陥Iを導入したp型半導体層108とを備える。
As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention includes an n-
p型半導体層108に意図的に積層欠陥Iを設けることで、p型半導体層108中のアクセプタ不純物密度NAを増加することができ、p型半導体層108内における正孔(ホール)のキャリア密度を高くすることができる。
By intentionally providing the stacking fault I in the p-
図2は、非極性面および半極性面について説明するための模式図であって、図2(a)は、III族窒化物半導体の結晶構造を示す模式図、図2(b)および図2(c)は、半極性面を説明するための模式図、図2(d)は、III族原子と窒素原子の結合を示す模式図をそれぞれ示す。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a nonpolar plane and a semipolar plane. FIG. 2A is a schematic diagram showing a crystal structure of a group III nitride semiconductor, and FIG. 2B and FIG. (C) is a schematic diagram for explaining the semipolar plane, and FIG. 2 (d) is a schematic diagram showing a bond between a group III atom and a nitrogen atom.
III族窒化物半導体の結晶構造は、図2(a)および(d)に示すように、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して4つの窒化原子が結合している。4つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の4つの頂点に位置している。これらの4つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して+c軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−c軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がc軸に沿っている。 As shown in FIGS. 2A and 2D, the crystal structure of the group III nitride semiconductor can be approximated by a hexagonal system, and four nitride atoms are bonded to one group III atom. Yes. Four nitrogen atoms are located at four vertices of a regular tetrahedron having a group III atom arranged at the center. Of these four nitrogen atoms, one nitrogen atom is positioned in the + c axis direction with respect to the group III atom, and the other three nitrogen atoms are positioned on the −c axis side with respect to the group III atom. Because of such a structure, the polarization direction is along the c-axis in the group III nitride semiconductor.
c軸は六角柱の軸方向に沿い、このc軸を法線とする面(六角柱の頂面)がc面{0001}である。c面に平行な2つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、+c軸側の面(+c面)はIII族原子が並んだ結晶面となり、−c軸側の面(−c面)は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、c面は、+c軸側と−c軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。 The c-axis is along the axial direction of the hexagonal column, and the plane (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis as a normal is the c-plane {0001}. When the group III nitride semiconductor crystal is cleaved by two planes parallel to the c plane, the + c axis side plane (+ c plane) becomes a crystal plane in which group III atoms are arranged, and the −c axis side plane (−c plane) ) Is a crystal plane with nitrogen atoms. For this reason, the c-plane is called a polar plane because it exhibits different properties on the + c-axis side and the −c-axis side.
+c面と−c面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、+c面は、アルカリに強いなどといった化学反応に対する耐久性が高く、逆に、−c面は化学的に弱く、例えば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。 Since the + c plane and the −c plane are different crystal planes, different physical properties are exhibited accordingly. Specifically, it is known that the + c surface has high durability against chemical reactions such as resistance to alkali, and conversely, the −c surface is chemically weak and is soluble in alkali, for example.
一方、六角柱の側面がそれぞれm面{10−10}であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がa面{11−20}である。これらは、c面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、図2(b)および図2(c)に示すように、c面に対して傾斜している(平行でもなく直角でもない)結晶面{10−11}や{10−13}は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。他の半極性面の具体例は、{10−1−1}面、{10−1−3}面、{11−22}面などの面である。 On the other hand, the side surfaces of the hexagonal columns are m-planes {10-10}, respectively, and the planes passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other are a-planes {11-20}. Since these are crystal planes perpendicular to the c-plane and orthogonal to the polarization direction, they are nonpolar planes, that is, nonpolar planes. Furthermore, as shown in FIGS. 2B and 2C, crystal planes {10-11} and {10-13} that are inclined with respect to the c-plane (not parallel nor perpendicular) are Since it crosses diagonally with respect to the polarization direction, it is a plane with some polarity, that is, a semipolar plane. Specific examples of other semipolar planes are planes such as {10-1-1} plane, {10-1-3} plane, {11-22} plane.
例えば、m面を主面とするGaN単結晶基板は、c面を主面としたGaN単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のm面は、例えば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、[0001]方向および[11−20]方向の両方に関する方位誤差が±1°以内(好ましくは±0.3°以内)とされる。こうして、m面を主面としたGaN単結晶基板が得られる。 For example, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface can be produced by cutting from a GaN single crystal having a c-plane as a main surface. The m-plane of the cut substrate is polished by, for example, a chemical mechanical polishing process, and the orientation error with respect to both the [0001] direction and the [11-20] direction is within ± 1 ° (preferably ± 0.3 °). Within). In this way, a GaN single crystal substrate having an m-plane as a main surface is obtained.
このようにして得られるGaN単結晶基板上に、MOCVD法によって、発光ダイオード(LED)、半導体レーザダイオード(LD)構造が形成される。 A light emitting diode (LED) and semiconductor laser diode (LD) structure is formed on the GaN single crystal substrate thus obtained by MOCVD.
図3乃至図5は、ブルガフトマンとメイヤー(Vurgaftman and Mayer)による発表論文ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Journal of Applied Physics, 94(6), 2003)に発表された結果に基づく図である。 3 to 5 are diagrams based on results published in Journal of Applied Physics, 94 (6), 2003 by Vurgaftman and Mayer.
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図を示す。窒化ガリウムなどの六方晶において、 [0001] c軸方向に結晶成長を行なった場合、積層欠陥はc面に平行な面に形成され、しかも、この積層欠陥は、立方晶Zと同様に振舞う。 FIG. 3 is a schematic explanatory view of the crystal structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. In a hexagonal crystal such as gallium nitride, when crystal growth is performed in the [0001] c-axis direction, stacking faults are formed in a plane parallel to the c-plane, and the stacking faults behave in the same manner as the cubic Z.
すなわち、立法晶の自発分極Psp, ZBと六方晶の自発分極Psp, wurtziteの間には、Psp, ZB≠Psp, wurtziteの関係が成り立ち、結果として、立方晶Zと六方晶Wのヘテロ接合において、立方晶Zに相当する積層欠陥が導入されたことになる。六方晶(ABCABC・・・)の窒化ガリウム中で、積層欠陥部分は、立法晶(ABABA・・・)があることに等価であり、立方晶Zと六方晶Wのヘテロ接合は、(ABCABABC・・・)のように表される。 That is, a relationship of P sp, ZB ≠ P sp, wurtzite holds between the spontaneous polarization P sp, ZB of the cubic crystal and the spontaneous polarization P sp, wurtzite of the hexagonal crystal. As a result, the cubic Z and the hexagonal W In this heterojunction, a stacking fault corresponding to cubic Z is introduced. In the hexagonal (ABCABC ...) gallium nitride, the stacking fault portion is equivalent to the presence of a cubic crystal (ABABA ...), and the heterojunction of the cubic Z and hexagonal W is (ABCABBC.・ ・)
このため、積層欠陥を導入することで、バンドギャップが異なる超格子構造ができたことになる。活性層に積層欠陥があると発光効率が落ちるが、p型層のみに積層欠陥がある場合は、高い発光効率と低いp型層の抵抗を両立できる。 For this reason, by introducing stacking faults, superlattice structures having different band gaps are formed. If there is a stacking fault in the active layer, the light emission efficiency is lowered, but if there is a stacking fault only in the p-type layer, both high light emission efficiency and low p-type layer resistance can be achieved.
また、図4は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図であって、六方晶(ウルツ鉱結晶構造:wurtzite)に挟まれる積層欠陥層(立方晶Z:zincblende)の[0001]方向の距離(オングストローム)とエネルギーバンドとの関係を示す。図4は、ノンドープの結晶について示されており、コンダクションバンドCBとバレンスバンドVBの略中央付近にフェルミレベルEfが存在している。六方晶Wに挟まれた部分に立方晶Zに相当する積層欠陥が存在している。 FIG. 4 is a schematic explanatory view of the crystal structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, and is a stacking fault layer (cubic) sandwiched between hexagonal crystals (wurtzite crystal structure: wurtzite). The relationship between the distance (angstrom) in the [0001] direction of crystal Z: zincblende) and the energy band is shown. FIG. 4 shows a non-doped crystal, and a Fermi level Ef exists near the approximate center of the conduction band CB and the valence band VB. A stacking fault corresponding to the cubic crystal Z exists in a portion sandwiched between the hexagonal crystals W.
また、図5は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の結晶構造の模式的説明図であって、アクセプタ不純物密度が1×1018cm-3の場合の、六方晶(ウルツ鉱結晶構造W:wurtzite)に挟まれる積層欠陥層(立方晶Z:zincblende)の[0001]方向の距離(オングストローム)とエネルギーバンドとの関係を示す。アクセプタ不純物密度が1×1018cm-3の場合、六方晶Wで挟まれる立方晶Zで表される積層欠陥によって、アクセプタ不純物密度のレベルが確実に上昇しており、所望の高不純物密度の不純物添加が実施され得ることがわかる。 FIG. 5 is a schematic explanatory view of the crystal structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. In the case where the acceptor impurity density is 1 × 10 18 cm −3 , The relationship between the distance (angstrom) in the [0001] direction of the stacking fault layer (cubic Z: zincblende) sandwiched between the wurtzite crystal structure W (wurtzite) and the energy band is shown. When the acceptor impurity density is 1 × 10 18 cm −3 , the acceptor impurity density level is surely increased by the stacking fault represented by the cubic Z sandwiched between the hexagonal crystals W, and the desired high impurity density is obtained. It can be seen that impurity addition can be performed.
また、図6は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構造における積層欠陥の模式的説明図であって、図6(a)は、積層欠陥がm面の多層構造(p型半導体層108、109)で連続的に形成される様子を説明する図であり、図6(b)は、m面に垂直なm軸方向に積層欠陥が形成される様子を説明する図であり、図6(c)は、c面に平行な方向(m面に垂直なm軸方向)に積層欠陥が形成される様子を説明する図である。 FIG. 6 is a schematic explanatory view of a stacking fault in the cross-sectional structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 6B is a diagram illustrating a state in which (p-type semiconductor layers 108 and 109) are continuously formed, and FIG. 6B illustrates a state in which stacking faults are formed in the m-axis direction perpendicular to the m-plane. FIG. 6C is a diagram illustrating a state in which stacking faults are formed in a direction parallel to the c-plane (m-axis direction perpendicular to the m-plane).
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子(発光ダイオード)によれば、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層に意図的に積層欠陥を設けることで、ホール濃度を高く形成し、良好な偏光状態の光を取り出すことができる。 According to the semiconductor light emitting element (light emitting diode) according to the first embodiment of the present invention, a GaN semiconductor layer having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface is used, and a stacking fault is intentionally formed in the p-type layer. By providing, it is possible to form a high hole concentration and extract light in a favorable polarization state.
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子(半導体レーザダイオード)によれば、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層(p型半導体層108、109)に意図的に積層欠陥Iを設けることで、ホール濃度を高く形成し、レーザ発振効率を高め、閾値電流を低減することができる。 According to the semiconductor light emitting device (semiconductor laser diode) according to the first embodiment of the present invention, a GaN semiconductor layer having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface is used, and a p-type layer (p-type semiconductor layer 108) is used. 109) by intentionally providing the stacking fault I, the hole concentration can be increased, the laser oscillation efficiency can be increased, and the threshold current can be reduced.
[第2の実施の形態]
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図を示す。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子は、非極性面または半極性面を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、少なくともn型層およびp型層を有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、III族窒化物半導体層の光取り出し側表面が鏡面になっていると共に、積層構造の一つに積層欠陥Iを発生させる結晶欠陥層を設けることによって、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする。 A semiconductor light-emitting device according to a second embodiment of the present invention is a semiconductor light-emitting device having a stacked structure made of a compound semiconductor having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface for crystal growth, and at least an n-type layer And a group III nitride semiconductor layer having a stacked structure having a p-type layer, the light extraction side surface of the group III nitride semiconductor layer is a mirror surface, and a crystal that generates stacking fault I in one of the stacked structures By providing the defect layer, the crystal growth layer laminated after the crystal defect layer has more crystal defects than the lower part of the crystal defect layer.
また、III族窒化物半導体層の光取り出し側表面に接する透明電極をさらに備え、透明電極の光取り出し側表面が鏡面になっていることを特徴とする。 In addition, a transparent electrode in contact with the light extraction side surface of the group III nitride semiconductor layer is further provided, and the light extraction side surface of the transparent electrode is a mirror surface.
また、透明電極が、厚さが200Å(オングストローム)以下の遷移金属膜からなることを特徴とする。 Further, the transparent electrode is characterized by comprising a transition metal film having a thickness of 200 angstroms (angstrom) or less.
また、透明電極が、金属酸化物膜からなることを特徴とする。 The transparent electrode is made of a metal oxide film.
また、透明電極の光取り出し側表面の凹凸が、発光波長λに対して、λ/n1 (ただしn1 は前記透明電極の屈折率)以下であることを特徴とする。 Further, the unevenness of the light extraction side surface of the transparent electrode is not more than λ / n1 (where n1 is the refractive index of the transparent electrode) with respect to the emission wavelength λ.
また、III族窒化物半導体層の光取り出し側表面の凹凸が、発光波長λに対して、λ/n2(ただしn2はIII族窒化物半導体層の屈折率)以下であることを特徴とする。 Further, the unevenness of the light extraction side surface of the group III nitride semiconductor layer is not more than λ / n2 (where n2 is the refractive index of the group III nitride semiconductor layer) with respect to the emission wavelength λ.
また、本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子は、c面以外の非極性面または半極性面の面方位を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、少なくともn型層およびp型層を有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、III族窒化物半導体層の表面に電極が具備されていると共に、積層構造の一つに積層欠陥Iを発生させる結晶欠陥層を設けることによって、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする。 In addition, the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention has a laminated structure made of a compound semiconductor having a crystal growth as a principal plane of crystal growth with a plane orientation of a nonpolar plane or a semipolar plane other than the c plane. An element comprising a group III nitride semiconductor layer having a laminated structure having at least an n-type layer and a p-type layer, an electrode provided on the surface of the group III nitride semiconductor layer, and one of the laminated structures By providing the crystal defect layer that generates the stacking fault I, the crystal growth layer stacked after the crystal defect layer has more crystal defects than the lower portion of the crystal defect layer.
また、上記電極はp側電極であることを特徴とする。 The electrode is a p-side electrode.
また、非極性面または半極性面からの発光層の光出力について、c軸方向への光出力がa軸方向への光出力に比べて、5倍以上であることを特徴とする。 Further, the light output of the light emitting layer from the nonpolar plane or the semipolar plane is characterized in that the light output in the c-axis direction is five times or more than the light output in the a-axis direction.
本発明の第2の実施の形態に係る発光ダイオードは、図7に示すように、GaN(窒化ガリウム)単結晶基板1上にIII族窒化物半導体層2を再成長させて構成されている。
III族窒化物半導体層2は、GaN単結晶基板1側から順に、n型コンタクト層21、発光層としての量子井戸(QW:Quantum well)、GaNファイナルバリア層25、p型電子阻止層23、およびp型コンタクト層24を積層した積層構造を有している。
As shown in FIG. 7, the light-emitting diode according to the second embodiment of the present invention is configured by re-growing a group III
The group III
p型コンタクト層24の表面には、透明電極としてのアノード電極3が形成されており、さらに、このアノード電極3の一部には、配線接続のための接続部4が接合されている。また、n型コンタクト層21には、カソード電極5が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
An anode electrode 3 as a transparent electrode is formed on the surface of the p-
p型コンタクト層24には、図7中に示すように、積層欠陥Iが導入され、実質的にアクセプタ不純物である、例えば、マグネシウム(Mg)の不純物添加量が増大している。その結果、正孔(ホール)のキャリア密度を高くすることができる。
As shown in FIG. 7, the stacking fault I is introduced into the p-
また、p型コンタクト層24は、単層構造のみならず、2層〜4層構造として形成されている場合もあり、その場合、各層に導入される積層欠陥Iは、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が多いことを特徴とする。
In addition, the p-
あるいはまた、多層構造のp型コンタクト層24において、互いに積層欠陥Iの導入密度を変化させ、各層の正孔(ホール)のキャリア密度を変化させることもできる。
Alternatively, in the p-
GaN単結晶基板1は、支持基板(配線基板)10に接合されている。支持基板10の表面には、配線11,12が形成されている。そして、接続部4と配線11とがボンディングワイヤ130で接続されており、カソード電極5と配線12とがボンディングワイヤ140で接続されている。さらに、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ130,140とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード素子が構成されている。
The GaN single crystal substrate 1 is bonded to a support substrate (wiring substrate) 10. Wirings 11 and 12 are formed on the surface of the
n型コンタクト層21は、シリコンをn型ドーパントとして添加したn型GaN層からなる。層厚は3μm以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、例えば、約1018cm-3程度とされる。
The n-
量子井戸は、シリコンをドープしたInGaN層(例えば、約3nm厚)とGaN層(例えば、約9nm厚)とを交互に所定周期(例えば5周期)積層したものである。この量子井戸と、p型電子阻止層23との間に、GaNファイナルバリア層25(例えば、約40nm厚)が積層される。
The quantum well is formed by alternately laminating a silicon-doped InGaN layer (for example, about 3 nm thickness) and a GaN layer (for example, about 9 nm thickness) for a predetermined period (for example, five periods). A GaN final barrier layer 25 (for example, about 40 nm thick) is laminated between this quantum well and the p-type
p型電子阻止層23は、p型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したAlGaN層からなる。層厚は、例えば、約28nm程度である。マグネシウムのドーピング濃度は、例えば、約3×1019cm-3程度とされる。
The p-type
p型コンタクト層24は、p型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したGaN層からなる。層厚は、例えば、約70nmである。マグネシウムのドーピング濃度は、例えば、約1020cm-3程度とされる。p型コンタクト層24の表面はIII族窒化物半導体層2の表面2aをなし、この表面2aは鏡面となっている。
The p-
より具体的には、表面2aの凹凸は、約100nm以下である。GaNの屈折率をn2 (n2 ≒2.5)とし、発光波長をλとすると、表面2aの凹凸がλ/n2 以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。この表面2aは、量子井戸で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
More specifically, the unevenness of the
アノード電極3は、NiとAuとから構成される透明な薄い金属層(例えば、約200Å以下)で構成される。III族窒化物半導体層2の表面2aが鏡面であるので、この表面2aに接して形成されるアノード電極3の表面3a(光取り出し側表面)も鏡面となる。すなわち、この表面3aの凹凸は、例えば、約100nm以下である。アノード電極3の屈折率n1(n1は1.6〜)とし、発光波長をλとすると、表面3aの凹凸がλ/n1以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。
The anode electrode 3 is composed of a transparent thin metal layer (for example, about 200 mm or less) composed of Ni and Au. Since the
このように、III族窒化物半導体層2の光取り出し側表面2aおよびアノード電極3の光取り出し側表面3aがいずれも鏡面であるので、量子井戸から発生した光は、その偏光状態にほとんど影響を与えることなく、アノード電極3側へと取り出されることになる。
Thus, since the light
カソード電極5は、TiとAl層とから構成される膜である。
The
GaN単結晶基板1は、c面以外の主面を有するGaN単結晶からなる基板である。より具体的には、非極性面または半極性面を主面とするものである。さらに具体的には、GaN単結晶基板1の主面は、非極性面の面方位から±1°以内のオフ角を有する面であるか、または半極性面の両方位から±1°以内のオフ角を有する面である。 The GaN single crystal substrate 1 is a substrate made of a GaN single crystal having a main surface other than the c-plane. More specifically, the main surface is a nonpolar surface or a semipolar surface. More specifically, the main surface of the GaN single crystal substrate 1 is a surface having an off angle within ± 1 ° from the plane orientation of the nonpolar plane, or within ± 1 ° from both positions of the semipolar plane. A surface having an off angle.
駆動電流20mAにおけるピーク波長は、例えば、約435nm(青色領域)である。駆動電流1mAにおけるピーク波長は、例えば、約437nmであり、駆動電流100mAにおけるピーク波長は434nmである。すなわち、駆動電流によるピーク波長の変動は、例えば、約3nmである。III族窒化物半導体層2の表面2aおよびアノード電極3の表面3aの凹凸は、例えば、約100nm以下であるので、前記波長域の光の偏光に対して、ほとんど影響を与えることがない。
The peak wavelength at the drive current of 20 mA is, for example, about 435 nm (blue region). The peak wavelength at a driving current of 1 mA is, for example, about 437 nm, and the peak wavelength at a driving current of 100 mA is 434 nm. That is, the fluctuation of the peak wavelength due to the drive current is about 3 nm, for example. Since the unevenness of the
EL発光の偏光方向が、c軸に対して直交している(a軸方向に偏光している)ことも確認され、偏光比は、駆動電流1mAのとき、例えば、約0.77である。偏光比とは、c軸に直交する偏光強度Io(a軸方向の偏光強度)およびc軸に平行な偏光強度Ipにより、(Io−Ip)/(Io+Ip)で与えられる値である。一般に、光は、偏光の方向に対して垂直な方向へと伝搬するので、a軸方向の偏光成分はc軸方向に伝搬する。その結果、c軸方向への光出力は、a軸方向への光出力の5倍以上となる。 It has also been confirmed that the polarization direction of EL emission is orthogonal to the c-axis (polarization in the a-axis direction), and the polarization ratio is, for example, about 0.77 when the drive current is 1 mA. The polarization ratio is a value given by (Io−Ip) / (Io + Ip) by the polarization intensity Io (polarization intensity in the a-axis direction) orthogonal to the c-axis and the polarization intensity Ip parallel to the c-axis. In general, since light propagates in a direction perpendicular to the direction of polarization, the polarization component in the a-axis direction propagates in the c-axis direction. As a result, the light output in the c-axis direction is at least five times the light output in the a-axis direction.
本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子(発光ダイオード)によれば、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層(p型コンタクト層24)に意図的に積層欠陥Iを設けることで、ホール濃度を高く形成し、良好な偏光状態の光を取り出すことができる。 According to the semiconductor light emitting device (light emitting diode) according to the second embodiment of the present invention, a GaN semiconductor layer whose main surface is a nonpolar surface or a semipolar surface is used, and a p-type layer (p-type contact layer 24). By intentionally providing the stacking fault I, the hole concentration can be increased and light with a good polarization state can be extracted.
[第3の実施の形態]
図8は、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子(半導体レーザダイオード)の構造を説明するための斜視図を示す。また、図9は、図8のII−II線に沿う縦断面図を示し、図10は、図8のIII−III線に沿う横断面図を示す。
[Third embodiment]
FIG. 8 is a perspective view for explaining the structure of a semiconductor light emitting device (semiconductor laser diode) according to the third embodiment of the present invention. 9 shows a longitudinal sectional view taken along line II-II in FIG. 8, and FIG. 10 shows a transverse sectional view taken along line III-III in FIG.
本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子(半導体レーザダイオード)は、m面を結晶成長の主面とする化合物半導体からなる積層構造を有する半導体発光素子であって、m軸方向に、n型クラッド層、発光層、およびp型クラッド層を積層したIII族窒化物半導体積層構造を備え、積層構造の一つに積層欠陥を発生させる結晶欠陥層を設けることによって、結晶欠陥層の下部に比べて、前記結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が結晶欠陥が多いことを特徴とする。 A semiconductor light emitting device (semiconductor laser diode) according to a third embodiment of the present invention is a semiconductor light emitting device having a stacked structure made of a compound semiconductor having an m-plane as a main surface for crystal growth, and in the m-axis direction, A group III nitride semiconductor multilayer structure in which an n-type cladding layer, a light emitting layer, and a p-type cladding layer are stacked, and a crystal defect layer that generates stacking faults is provided in one of the stacked structures, thereby In comparison, the crystal growth layer laminated after the crystal defect layer has more crystal defects.
また、III族窒化物半導体が、m面を結晶成長のための再成長面とするGaN単結晶基板上に結晶成長させたものであることを特徴とする。 Further, the group III nitride semiconductor is characterized in that it is crystal-grown on a GaN single crystal substrate having an m-plane as a regrowth plane for crystal growth.
また、GaN単結晶基板の主面のオフ角は±1°以内であることを特徴とする。 In addition, the off-angle of the main surface of the GaN single crystal substrate is within ± 1 °.
また、III族窒化物半導体積層構造は、p型クラッド層を含むp型半導体層を備え、半導体発光素子は、所定方向に沿って形成され、p型半導体層にストライプ状の接触領域で接触したp側電極をさらに備え、接触領域のストライプの方向に垂直に一対の共振器端面が形成されていることを特徴とする。 The group III nitride semiconductor multilayer structure includes a p-type semiconductor layer including a p-type cladding layer, and the semiconductor light emitting element is formed along a predetermined direction and is in contact with the p-type semiconductor layer in a striped contact region. A p-side electrode is further provided, and a pair of resonator end faces are formed perpendicular to the stripe direction of the contact region.
また、ストライプ状の接触領域を除くp型半導体の表面が、絶縁膜で保護されていることを特徴とする。 Further, the surface of the p-type semiconductor excluding the stripe contact region is protected by an insulating film.
また、III族窒化物半導体積層構造は、p型クラッド層を含むp型半導体層を備え、p型半導体層の一部が除去されて、所定方向に沿ったストライプが形成されており、ストライプの方向に垂直に一対の共振器端面が形成されていることを特徴とする。 The group III nitride semiconductor multilayer structure includes a p-type semiconductor layer including a p-type cladding layer, a part of the p-type semiconductor layer is removed, and a stripe along a predetermined direction is formed. A pair of resonator end faces are formed perpendicular to the direction.
また、ストライプがリッジ形状に形成されており、ストライプとp側電極との接触部を除く当該ストライプの表面が、絶縁膜で保護されていることを特徴とする。 Further, the stripe is formed in a ridge shape, and the surface of the stripe except for the contact portion between the stripe and the p-side electrode is protected by an insulating film.
また、ストライプの方向がc軸方向であり、一対の共振器端面が+c面および−c面であることを特徴とする。 Further, the stripe direction is a c-axis direction, and the pair of resonator end faces are a + c plane and a −c plane.
また、−c面の共振器端面が、絶縁膜からなる保護膜によって被覆されていることを特徴とする。 Further, the resonator end face of the −c plane is covered with a protective film made of an insulating film.
また、発光層が量子井戸構造からなり、量子井戸構造を構成する量子井戸のc軸方向への平坦性が、10Å以下であることを特徴とする。 Further, the light-emitting layer has a quantum well structure, and the flatness in the c-axis direction of the quantum well constituting the quantum well structure is 10 mm or less.
また、ストライプの方向がa軸方向であり、一対の共振器端面がa面であることを特徴とする。 The stripe direction is the a-axis direction, and the pair of resonator end faces are a-planes.
また、共振器端面は、劈開面であることを特徴とする。 Further, the resonator end face is a cleavage plane.
また、p型半導体層への接触領域を複数個備えたことを特徴とする。 Further, a plurality of contact regions to the p-type semiconductor layer are provided.
また、p型半導体層のm面にp側電極が形成されており、III族窒化物半導体積層構造が導電性基板の一主面に成長させられており、この導電性基板の他の主面がm面であり、当該他の主面にn側電極が形成されていることを特徴とする。 A p-side electrode is formed on the m-plane of the p-type semiconductor layer, and the group III nitride semiconductor multilayer structure is grown on one main surface of the conductive substrate. The other main surface of the conductive substrate Is an m-plane, and an n-side electrode is formed on the other main surface.
また、III族窒化物半導体積層構造は、n型クラッド層と当該III族窒化物半導体積層構造を担持する基板との間に、2軸性応力を有するInを含む層を備えていることを特徴とする。 The group III nitride semiconductor multilayer structure includes a layer containing In having biaxial stress between the n-type cladding layer and the substrate carrying the group III nitride semiconductor multilayer structure. And
また、発光層は、Inを含む量子井戸の数が3以下である多重量子井戸構造を有し、III族窒化物半導体積層構造は、発光層を挟んで配置された一対のガイド層を含み、n型クラッド層は、一対のガイド層の一方を発光層との間に挟むように配置され、当該ガイド層よりもハンドギャップが広い少なくともAlを含むクラッド層であり、p型クラッド層は、一対のガイド層の他方を発光層との間に挟むように配置され、当該ガイド層よりもハンドギャップが広い少なくともAlを含むクラッド層であることを特徴とする。 The light emitting layer has a multiple quantum well structure in which the number of quantum wells containing In is 3 or less, and the group III nitride semiconductor multilayer structure includes a pair of guide layers disposed with the light emitting layer interposed therebetween, The n-type clad layer is a clad layer that includes at least Al having a wider hand gap than the guide layer, and is disposed so as to sandwich one of the pair of guide layers between the light-emitting layer. The other guide layer is disposed between the light emitting layer and a clad layer containing at least Al having a wider hand gap than the guide layer.
本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子(半導体レーザダイオード70)は、GaN単結晶基板71と、GaN単結晶基板71上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造72と、GaN単結晶基板1の裏面(III族窒化物半導体積層構造72と反対側の表面)に接触するように形成されたn側電極73と、III族窒化物半導体積層構造72の表面に接触するように形成されたp側電極40とを備えたファブリペロー型のものである。
A semiconductor light emitting device (semiconductor laser diode 70) according to a third embodiment of the present invention includes a GaN
このGaN単結晶基板71は、m面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、III族窒化物半導体積層構造72が形成されている。したがって、III族窒化物半導体積層構造72は、m面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。
The GaN
III族窒化物半導体積層構造72は、発光層80と、n型半導体層81と、p型半導体層82とを備えている。
The group III nitride
n型半導体層81は発光層80に対してGaN単結晶基板71側に配置されており、p型半導体層82は発光層80に対してp側電極40側に配置されている。こうして、発光層80が、n型半導体層81およびp型半導体層82によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層80には、n型半導体層81から電子が注入され、p型半導体層82から正孔が注入される。これらが発光層80で再結合することにより、光が発生するようになっている。
The n-type semiconductor layer 81 is disposed on the GaN
n型半導体層81は、GaN単結晶基板71側から順に、n型GaNコンタクト層83(例えば2μm厚)、n型AlGaNクラッド層84(1.5μm厚以下。例えば1.0μm厚)およびn型GaNガイド層85(例えば0.1μm厚)を積層して構成されている。
The n-type semiconductor layer 81 includes an n-type GaN contact layer 83 (for example, 2 μm thickness), an n-type AlGaN cladding layer 84 (for a thickness of 1.5 μm or less, for example, 1.0 μm thickness), and an n-type in order from the GaN
一方、p型半導体層82は、発光層80の上に、順に、p型AlGaN電子ブロック層86(例えば20nm厚)、p型GaNガイド層87(例えば0.1μm厚)、p型AlGaNクラッド層88(1.5μm厚以下。例えば0.4μm厚)およびp型GaNコンタクト層89(例えば0.3μm厚)を積層して構成されている。
On the other hand, the p-
n型GaNコンタクト層83およびp型GaNコンタクト層89は、それぞれn側電極73およびp側電極40とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。n型GaNコンタクト層83は、GaNに、例えばn型ドーパントとしてのSiを高濃度にドープ(ドーピング濃度は、例えば、3×1018cm-3)することによってn型半導体とされている。また、p型AlGaNコンタクト層89は、p型ドーパントとしてのMgを高濃度にドープ(ドーピング濃度は、例えば、3×1019cm-3)することによってp型半導体層とされている。
The n-type
n型AlGaNクラッド層84およびp型AlGaNクラッド層88は、発光層80からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。
The n-type AlGaN cladding layer 84 and the p-type
n型AlGaNクラッド層84は、AlGaNに例えばn型ドーパントとしてのSiをドープ(ドーピング濃度は、例えば、1×1018cm-3)することによってn型半導体とされている。また、p型AlGaNクラッド層88は、p型ドーパントとしてのMgをドープ(ドーピング濃度は、例えば、1×1019cm-3)することによってp型半導体層とされている。n型AlGaNクラッド層84は、n型GaNガイド層85よりもバンドギャップが広く、p型AlGaNクラッド層88は、p型GaNガイド層87よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。
The n-type AlGaN cladding layer 84 is made an n-type semiconductor by doping AlGaN with, for example, Si as an n-type dopant (doping concentration is, for example, 1 × 10 18 cm −3 ). The p-type
p型AlGaNクラッド層88およびp型GaNコンタクト層89には、図8中に示すように、積層欠陥Iが導入され、実質的にアクセプタ不純物である、例えば、マグネシウム(Mg)の不純物添加量が増大している。その結果、正孔(ホール)のキャリア密度を高くすることができる。
As shown in FIG. 8, the stacking fault I is introduced into the p-type
また、p型AlGaNクラッド層88は、単層構造のみならず、2層〜4層構造として形成されている場合もあり、その場合、各層に導入される積層欠陥Iは、結晶欠陥層の下部に比べて、結晶欠陥層より後に積層される結晶成長層の方が多いことを特徴とする。
In addition, the p-type
あるいはまた、多層構造のp型AlGaNクラッド層88おいて、互いに積層欠陥Iの導入密度を変化させ、各層の正孔(ホール)のキャリア密度を変化させることもできる。
Alternatively, in the p-type
n型GaNガイド層85およびn型GaNガイド層87は、発光層80にキャリア(電子および正孔)を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め効果を生じる半導体層である。これにより、発光層80における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。n型GaNガイド層85は、GaNに、例えばn型ドーパントとしてのSiをドープ(ドーピング濃度は、例えば、1×1018cm-3)することによりn型半導体とされており、p型GaNガイド層87は、GaNに例えばp型ドーパントとしてのMgをドープする(ドーピング濃度は、例えば、5×1018cm-3)ことによってp型半導体とされている。
The n-type
p型AlGaN電子ブロック層86は、AlGaNにp型ドーパントとしての、例えばMgをドープ(ドーピング濃度は、例えば、5×1018cm-3)して形成されたp型半導体であり、発光層80からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
The p-type AlGaN
発光層80は、例えばInGaNを含むMQW構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層80は、具体的には、InGaN層(例えば3nm厚)とGaN層(例えば9nm厚)とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、InGaN層は、Inの組成比が5%以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、GaN層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層(障壁層)として機能する。例えば、InGaN層とGaN層とは交互に2〜7周期繰り返し積層されて、MQW構造の発光層80が構成されている。発光波長は、量子井戸層(InGaN層)におけるInの組成を調整することによって、400nm〜550nmとされている。上記MQW構造は、Inを含む量子井戸の数が3以下とされることが好ましい。
The
p型半導体層82は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ20を形成している。より具体的には、p型コンタクト層89、p型AlGaNクラッド層88およびp型GaNガイド層87の一部がエッチング除去され、横断面視ほぼ台形形状(メサ形)のリッジストライプ20が形成されている。このリッジストライプ20は、c軸方向に沿って形成されている。
The p-
III族窒化物半導体積層構造72は、リッジストライプ20の長手方向両端における劈開により形成された一対の共振器端面91,92(劈開面)を有している。この一対の共振器端面91,92は、互いに平行であり、いずれもc軸に垂直である。こうして、n型GaNガイド層85、発光層80およびp型GaNガイド層87によって、共振器端面91,92を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。
The group III nitride
すなわち、発光層80で発生した光は、共振器端面91,92の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面91,92からレーザ光として素子外に取り出される。
That is, the light generated in the
n側電極73は、例えばAl金属からなり、p側電極40は、例えば、Al金属、Pd/Au合金からなり、それぞれp型コンタクト層89およびGaN単結晶基板71にオーミック接続されている。p側電極40がリッジストライプ20の頂面(ストライプ状の接触領域)のp型GaNコンタクト層89だけに接触するように、n型GaNガイド層87およびp型AlGaNクラッド層88の露出面を覆う絶縁層76が設けられている。これにより、リッジストライプ20に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。また、リッジストライプ20の表面は、p側電極40との接触部を除く領域が絶縁層76で覆われて保護されているので、横方向の光閉じ込めを緩やかにして制御を容易にすることができるとともに、側面からのリーク電流を防ぐことができる。絶縁層76は、屈折率が1よりも大きな絶縁材料、例えば、SiO2やZrO2で構成することができる。
The n-
さらに、リッジストライプ20の頂面はm面となっていて、このm面にp側電極40が形成されている。そして、n側電極73が形成されているGaN単結晶基板71の裏面もm面である。このように、p側電極40およびn側電極73のいずれもがm面に形成されているので、レーザの高出力化や高温動作に十分に耐えられる信頼性を実現できる。
Further, the top surface of the
共振器端面91,92は、それぞれ絶縁膜93,94(図8では図示省略)によって被覆されている。共振器端面91は、+c軸側共振器端面であり、共振器端面92は−c軸側共振器端面である。すなわち、共振器端面91の結晶面は+c面であり、共振器端面92の結晶面は−c面である。−c面側の絶縁膜94は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−c面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード70の信頼性の向上に寄与する。
The resonator end faces 91 and 92 are covered with insulating
本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子(半導体レーザダイオード)によれば、非極性面または半極性面を主面とするGaN半導体層を用い、p型層(p型AlGaNクラッド層88およびp型GaNコンタクト層89)に意図的に積層欠陥Iを設けることで、ホール濃度を高く形成し、レーザ発振効率を高め、閾値電流を低減することができる。 According to the semiconductor light emitting device (semiconductor laser diode) according to the third embodiment of the present invention, a GaN semiconductor layer having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface is used, and a p-type layer (p-type AlGaN cladding layer) is used. 88 and the p-type GaN contact layer 89) are intentionally provided with the stacking fault I, whereby the hole concentration can be increased, the laser oscillation efficiency can be increased, and the threshold current can be reduced.
[その他の実施の形態]
以上、本発明を第1乃至第3の実施形態について説明したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As mentioned above, although 1st thru | or 3rd embodiment was demonstrated this invention, the description and drawing which make a part of this indication do not limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
上記のように、本発明は第1乃至第3の実施の形態によって記載したが、このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention has been described according to the first to third embodiments, but it is needless to say that the present invention includes various embodiments that are not described herein. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1…GaN単結晶基板
2…III族窒化物半導体層
2a…GaN半導体層の表面(鏡面)
3…アノード電極(透明電極)(n側電極)
3a…アノード電極の表面(鏡面)
4…接続部
5…カソード電極
7…凹部
10…支持基板
11,12…配線
83…n型GaNコンタクト層
84…n型AlGaNクラッド層
85…n型GaNガイド層
86…p型AlGaN電子ブロック層
87…p型GaNガイド層
88…p型AlGaNクラッド層
89…p型GaNコンタクト層
21…n型コンタクト層
20…リッジストライプ
21a…n型コンタクト層の表面(GaN半導体層の表面:鏡面)
22…量子井戸層
23…p型電子阻止層
24…p型コンタクト層
25…ファイナルバリア層
40…p側電極
70…半導体レーザダイオード
71…基板(GaN単結晶基板)
72…III族窒化物半導体積層構造
73…n側電極
76、93,94…絶縁層
80、102…発光層(活性層)
81、100…n型半導体層
82、104、108、109…p型半導体層
91,92…共振器端面
106…AlGaNバリア層
130,140…ボンディングワイヤ
I…積層欠陥
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... GaN
3 ... Anode electrode (transparent electrode) (n-side electrode)
3a: Anode electrode surface (mirror surface)
4 ...
22 ... Quantum well layer 23 ... p-type
72 ... Group III nitride semiconductor laminated
81, 100 ... n-type semiconductor layers 82, 104, 108, 109 ... p-type semiconductor layers 91, 92 ... resonator end faces 106 ... AlGaN barrier layers 130, 140 ... bonding wires I ... stacking faults
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| JP2015159327A (en) * | 2009-07-31 | 2015-09-03 | 日亜化学工業株式会社 | nitride semiconductor laser diode |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015159327A (en) * | 2009-07-31 | 2015-09-03 | 日亜化学工業株式会社 | nitride semiconductor laser diode |
| EP2369632A2 (en) | 2010-03-25 | 2011-09-28 | Fujifilm Corporation | Photoelectric conversion device and solar cell |
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